不同顱腦接觸面對頭部模型損傷狀況影響的研究*

宋學偉，胡 浩，胡興軍，孫曉艷，金景旭，高振海,，趙 會

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082;3.長安汽車股份有限公司汽車工程研究院，重慶 401120)

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2015032

宋學偉1,2，胡 浩1，胡興軍1，孫曉艷1，金景旭1，高振海1,3，趙 會3

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082;3.長安汽車股份有限公司汽車工程研究院，重慶 401120)

基于第50百分位中國男性頭部CT和MRI數(shù)據(jù)，建立一個用于交通事故損傷評價的頭部有限元模型。分別定義顱-腦接觸面為共節(jié)點、滑動不分離和滑動分離3種界面，以研究不同顱-腦接觸方式對傷害結果的影響。利用Nahum顱內(nèi)壓和Hardy顱-腦相對位移實驗數(shù)據(jù)評價不同顱-腦接觸面模型的準確性。結果表明，顱-腦接觸面類型對顱內(nèi)壓影響較大，其中共節(jié)點界面與實驗結果吻合最好，而顱-腦相對位移對顱-腦間界面類型不敏感。

前言

全球每年因道路交通事故造成約120萬人死亡，使約2 000萬人遭受終身致殘傷害。我國每年約6萬人因交通事故死亡[1]。交通事故中的頭部損傷的概率高達54%[2]，是傷后致殘致死的首要原因，而頭部又是身體中最易受傷的部位。如今，頭部損傷(TBI)已是全世界所面臨的社會性問題。顱腦損傷不僅給家庭帶來無限痛苦，而且給社會帶來巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)估計，道路交通事故每年給全球造成經(jīng)濟損失約為5 180億美元，占全球生產(chǎn)總值的1%～2%[1]。因此，開展顱腦損傷發(fā)生機制的研究，對于制定并完善相應的防護措施，降低傷害的發(fā)生率以及預測事故中腦損傷發(fā)生的概率具有重要意義。

學者們利用動物、尸體和機械模型開展頭部損傷的研究始于20世紀40年代。這些研究成果對了解頭部傷害機理有重要意義，但動物、機械模型、尸體樣本與真實的人體頭部結構都有差異，且實驗工況單一，具有一定的局限性。隨著計算機功能的迅猛發(fā)展和人們對頭部傷害研究的深入，利用力學結合醫(yī)學影像手段建立有限元模型對頭部傷害進行模擬分析已成為研究頭部傷害的主要工具之一。國外在顱腦損傷有限元建模與仿真方面開展得較早[3-6]，國內(nèi)在此方向的研究則開展得相對較晚[7-9]。這些研究取得了很多有益的成果，但各種頭部損傷有限元模型進行研究時，多集中在對幾個經(jīng)典尸體頭部實驗的驗證，很少有考慮顱-腦接觸面對傷害結果的影響。

本文中基于某中國人的頭部醫(yī)學影像數(shù)據(jù)建立了第50百分位中國人頭部有限元模型，利用Nahum顱內(nèi)壓實驗[10]和Hardy顱-腦相對位移實驗[11]結果分析顱-腦接觸面不同建模方法的準確性。

1 第50百分位頭部有限元模型

1.1 第50百分位頭部有限元模型的構建

研究中使用的頭部有限元模型是基于某身高170cm、42歲的男性志愿者頭部CT和MRI數(shù)據(jù)建立，其中顱骨數(shù)據(jù)來自CT，軟組織數(shù)據(jù)來自MRI。在Mimics軟件中，利用根據(jù)各組織不同閾值而提取的幾何參數(shù)在逆向軟件中擬合成曲面，生成頭部各組織的幾何模型(圖1)，并在軟件ICEM和Hypermesh中對其進行網(wǎng)格劃分，而生成完整的頭部有限元模型(圖2)。

模型包括頭皮、顱骨(密質(zhì)骨和松質(zhì)骨)、腦脊液、大腦鐮、小腦幕、大腦、小腦、腦干、胼胝體和腦室等頭部主要解剖學結構(圖2)。顱骨厚度為4～7mm，用3層實體單元對其進行劃分，面骨經(jīng)簡化后用1層殼單元模擬，設定殼單元的厚度為3mm，頭皮厚度為5～7mm，同樣采用3層實體單元對其進行網(wǎng)格劃分。最終建立的頭部有限元模型具有99 765個節(jié)點，96 187個單元，其中殼單元2 180個，實體單元94 007個，模型總質(zhì)量約為4.5kg。

1.2 材料屬性

真實的腦組織非常復雜，材料為非均質(zhì)且各向異性，但在實際的工程問題中，頭部模型把腦組織視為均質(zhì)、線性和各項同性。腦組織材料模型有線彈性、線性黏彈性和超彈性3種材料。其中線性Max-well黏彈性模型應用最廣，其剪切模量G(t)可以描述為[5]

G(t)=G∞+(G0-G∞)e-βt

(1)

式中：G0為短效剪切模量；G∞為長效剪切模量；β為衰減系數(shù)；t為持續(xù)時間。

本文中大腦的材料特性選用線性Max-well黏彈性模型，腦脊液(CSF)選用ELASTIC_FLUID材料。頭部其它部分材料參考了韋恩州立大學的WSUHIM模型[5]的參數(shù)，并根據(jù)所建立模型的實際特點對其中一些材料參數(shù)進行適當調(diào)整。頭部模型中各組織材料參數(shù)見表1。

表1 頭部各組織材料屬性及參數(shù)

當頭部受到?jīng)_擊時，顱骨和大腦之間會發(fā)生相對運動，不同顱-腦接觸界面的定義會影響大腦對外界沖擊的響應。本文中建立了3種不同類型的顱-腦接觸面模型，研究顱-腦接觸界面對頭部響應的影響。第1種模型，顱骨和大腦共節(jié)點，不允許顱腦之間的分離；第2種模型，顱骨和大腦不共節(jié)點，顱-腦接觸面定義為滑動不分離界面；第3種模型，顱骨和大腦不共節(jié)點，顱-腦接觸面定義為滑動分離界面。模型顱-腦接觸界面的滑動摩擦因數(shù)定義為0.2[12]。

2 基于文獻數(shù)據(jù)的仿真驗證

2.1 顱內(nèi)壓實驗驗證

Nahum等人1976年進行的尸體顱內(nèi)壓實驗一直是驗證頭部模型有效性的重要依據(jù)。實驗中使用前端帶有填充材料的圓柱剛性沖擊器對未經(jīng)防腐處理的尸體頭部進行沖擊，并測量了沖擊器和頭部的接觸力、頭部質(zhì)心加速度和額骨區(qū)域、頂骨左右區(qū)域、枕骨左右區(qū)域與小腦窩處的壓力[10]。但文獻[10]中只給出37號尸體實驗的壓力-時間曲線。

利用建立的頭部模型進行Nahum顱內(nèi)壓實驗的驗證，并將3種不同顱-腦界面的模型仿真結果與實驗數(shù)據(jù)進行比較，研究不同接觸界面對頭部響應的影響。實驗中，沖擊器質(zhì)量為5.9kg，沖擊速度為9.94m/s。根據(jù)實驗建立了頭部撞擊模型，如圖3所示。由于文獻[10]中沒有給出沖擊器和緩沖墊片的具體幾何參數(shù)和材料特性，只給出了實驗時測得的接觸力曲線，因此，只能通過試算去獲得與實驗一致的接觸力曲線。通過試算最終選定的仿真分析沖擊器的質(zhì)量為5.6kg，沖擊速度為6m/s時，接觸力曲線與實驗值吻合較好，如圖4所示。將該速度作為模擬中的撞擊速度進行實驗驗證分析。考慮到實驗中的碰撞時間極短(10ms)，因此設定頭部為自由邊界。

Hardy等人2001年進行的顱-腦相對位移實驗[11]是驗證有限元模型的另一個重要的尸體頭部實驗，也是目前唯一考慮頭部旋轉的尸體實驗。實驗中選取了未經(jīng)防腐和冷凍處理的尸體頭部到第二胸椎的標本，尸體頭部倒置懸掛，使用CSF灌注設備，保證標本體溫和壓力正常，并分別在大腦顳骨區(qū)域和枕骨區(qū)域植入與大腦密度相當?shù)闹行悦芏鹊臉俗R物(NDT)，每一標識物之間的間距約為10mm，如圖5所示。選擇C755-T2這一組實驗來研究不同類型顱-腦界面的影響。表2為樣本C755-T2基本情況和實驗條件，包括平移加速度和轉動角加速度的正向、負向最大值。該組實驗中，用沖擊器沖擊樣本枕部進行加速，碰撞速度為2m/s。頭部CG的合成平移加速度和角加速度峰值分別為24g和1 813rad/s2。

表2 樣本C755-T2基本情況和實驗條件

Hardy實驗中涉及到復雜的坐標轉換關系，且也很難獲得各組實驗的全部有效數(shù)據(jù)，因此仿真中將經(jīng)換算的頭部加速度曲線作為模擬中的輸入，定義顱骨為剛性體。將實驗獲得的頭部6個方向的加速度(平移加速度和角加速度)施加在頭部的質(zhì)心上。

3 仿真結果分析

3.1 顱內(nèi)壓實驗

圖6為用不同顱-腦接觸面仿真得到的前額處顱內(nèi)壓與實驗結果的對比。從圖6看出，顱-腦共節(jié)點界面仿真結果與實驗值吻合最好，滑動不分離界面額骨處壓力高出實驗值20%左右，而滑動分離界面仿真結果與實驗值誤差最大，滑動分離界面前額處壓力峰值達285kPa，比實驗值約高91%。圖7為對應的小腦窩處顱內(nèi)壓曲線。從圖7看出，顱-腦共節(jié)點界面仿真結果與實驗值吻合最好，滑動不分離界面小腦窩處壓力比實驗值小5%左右，峰值時間約早0.2ms，滑動分離界面仿真結果與實驗值誤差最大，小腦窩處壓力出現(xiàn)了局部正壓，這是因為滑動分離接觸界面只能傳遞壓力而不能傳遞拉力，在頭部受到?jīng)_擊的瞬間，由于大腦運動滯后于顱骨，對沖擊側缺少拉力，大腦與顱骨短暫分離，出現(xiàn)空隙，當兩者再次接觸時會出現(xiàn)局部壓力過大，形成正壓力。真實顱腔內(nèi)，由于腦脊液的流動性，顱骨和大腦不會出現(xiàn)空隙。

依據(jù)文獻[11]選取NDT位置。由于文獻[11]中僅給出a1、a5和p1、p5 4個標識物的位移-時間曲線，因此本文中選取了這4個點進行模擬，并觀察不同顱-腦接觸界面的仿真結果。

仿真結果如圖8所示，對于不同顱-腦接觸面，腦組織局部運動趨勢一致，均出現(xiàn)明顯的環(huán)形路徑(a1、p1)和8字形路徑(a5、p5)特征。頭部受到?jīng)_擊時，標識物會立即隨腦組織一起向前運動，但由于大腦運動的滯后性，標識物會出現(xiàn)向后的位移量，在23～28ms時位移量達到最大，這與Hardy實驗結果基本吻合，但在位移量上與實驗值有所差異，造成偏差的可能原因如下：(1)由于模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點位置沒有與NDT坐標位置(a1，a5，p1，p5)對應；(2)模型的尺寸與實驗樣本尺寸有差異，導致模型與樣本質(zhì)心不重合；(3)黏彈性腦組織與真實腦組織材料特性存在差異。

在相對位移模擬實驗時，目前的有限元模型都存在不同程度的偏差。文獻[13]中腦組織運動趨勢平緩且沒有出現(xiàn)8字形路徑，文獻[14]中腦組織的局部位移量超過了5mm，甚至達到了10mm左右，文獻[5]中也僅是在腦組織的運動模式與實驗類似。本文模型對顱-腦相對位移實驗模擬的結果，不論是在運動趨勢上還是數(shù)量級上都可接受。顱-腦之間采用不同的接觸面導致的腦組織位移量不同，但是位移變化均處在同一個數(shù)量級上，且X、Z方向位移量的絕對值均小于5mm，如表3所示，這與Hardy實驗結論一致。因此，顱-腦接觸方式定義對頭部相對位移的影響不大。

表3 不同顱腦接觸面腦的位移量

4 結論

(1) 顱內(nèi)壓對顱-腦接觸界面類型比較敏感，其中顱-腦采用共節(jié)點界面，仿真結果與實驗吻合較好；滑動不分離面，沖擊側壓力峰值高出實驗值20%左右；而顱-腦采用滑動可分離界面，顱內(nèi)壓模擬誤差最大。

(2) 顱-腦相對位移對顱-腦間接觸面的類型不敏感，采用不同顱-腦接觸面時腦組織的局部運動趨勢基本一致，均出現(xiàn)明顯的環(huán)形路徑和8字形路徑特征，且位移量絕對值較小，在5mm之內(nèi)。

(3) 顱內(nèi)壓實驗模擬中，顱-腦采用滑動分離界面，對沖擊側大腦和顱骨分離，出現(xiàn)空隙導致了正壓的出現(xiàn)，而真實顱腔內(nèi)，由于腦脊液的流動性，顱骨和大腦不會出現(xiàn)空隙。

本文研究結果對建立頭部傷害模型的顱-腦接觸界面的選擇具有參考價值。

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A Study on the Influence of Different Skull-Brain Interfaceson the Injury Conditions of Human Head Model

Song Xuewei1,2, Hu Hao1, Hu Xingjun1, Sun Xiaoyan1, Jin Jingxu1, Gao Zhenhai1,3& Zhao Hui3

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022;2.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;3.AutomotiveEngineeringInstitute,Chang’anAutomobileCo.,Ltd.,Chongqing401120

A human head finite element model for the injury assessment of traffic accidents is built based on the CT and MRI data of the 50th percentile Chinese male head.Three types of skull-brain interface (sharing common notes, sliding without separation and sliding with separation) are defined respectively to study the effects of different contact conditions between skull and brain on the situations of brain injury.The experimental data of intracranial pressure from Mr.Nahum and that of the relative displacement between skull and brain from Mr.Hardy are used to evaluate the correctness of models with different skull-brain interfaces.The results indicate that the types of skull-brain interface have a relatively great influence on intracranial pressure, in which the interface with common notes agree best with experimental results, while the skull-brain relative displacement is not sensitive to the types of skull-brain interface.

head model; intracranial pressure; relative displacement; skull-brain interface

*國家自然科學基金(51175218)、汽車車身先進設計制造國家重點實驗室開放基金項目(31115004)、長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT1017)973(2012CB723802)資助。

原稿收到日期為2013年5月20日，修改稿收到日期為2013年7月24日。